วิวัฒนาการและการคัดเลือกโดยธรรมชาติเกิดขึ้นในระดับของ DNA เนื่องจากยีนกลายพันธุ์และลักษณะทางพันธุกรรมอาจติดอยู่หรือหายไปตามกาลเวลา แต่ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์คิดว่าวิวัฒนาการอาจเกิดขึ้นในอีกระดับหนึ่ง - ส่งต่อไม่ผ่านยีน แต่ผ่านโมเลกุลที่ติดอยู่กับพื้นผิว
โมเลกุลเหล่านี้เรียกว่ากลุ่มเมทิลเปลี่ยนโครงสร้างของ DNA และสามารถเปิดและปิดยีนได้ การเปลี่ยนแปลงนี้เรียกว่า "การดัดแปลงแบบ epigenetic" ซึ่งหมายถึงการปรากฏขึ้น "ด้านบน" หรือ "ด้านบนของ" จีโนม สิ่งมีชีวิตจำนวนมากรวมถึงมนุษย์มี DNA ที่มีกลุ่มเมธิล แต่สิ่งมีชีวิตเช่นแมลงวันผลไม้และพยาธิตัวกลมทำให้สูญเสียยีนที่จำเป็นในการทำเช่นนี้ในช่วงวิวัฒนาการ
สิ่งมีชีวิตอีกอย่างคือยีสต์ Cryptococcus neoformansยังสูญเสียยีนสำคัญสำหรับ methylation บางครั้งในช่วงยุคครีเทเชียประมาณ 50 ถึง 150 ล้านปีก่อน แต่ในรูปแบบปัจจุบันเชื้อรายังคงมีกลุ่มเมธิลในจีโนมของมัน ทีนี้นักวิทยาศาสตร์ก็คิดว่า C. neoformans ก็สามารถที่จะยึดถือการแก้ไข epigenetic เป็นเวลาหลายสิบล้านปีที่ผ่านมาเนื่องจากมีโหมดวิวัฒนาการใหม่ที่เพิ่งค้นพบจากการศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 16 มกราคมในวารสาร Cell
นักวิจัยที่อยู่เบื้องหลังการศึกษาไม่ได้คาดหวังว่าจะเปิดเผยความลับของวิวัฒนาการนักวิจัยอาวุโสดร. Hiten Madhani ศาสตราจารย์ด้านชีวเคมีและชีวฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานฟรานซิสโกและนักวิจัยหลักของ Chan Zuckerberg Biohub บอกวิทยาศาสตร์สด
กลุ่มศึกษาโดยทั่วไป C. neoformans เพื่อทำความเข้าใจว่ายีสต์ทำให้เกิดเยื่อหุ้มสมองอักเสบจากเชื้อราในมนุษย์ได้อย่างไร เชื้อรามีแนวโน้มที่จะติดเชื้อในคนที่มีระบบภูมิคุ้มกันอ่อนแอและทำให้ประมาณ 20% ของการเสียชีวิตที่เกี่ยวข้องกับเอชไอวี / เอดส์ทั้งหมดตามคำแถลงของ UCSF Madhani และเพื่อนร่วมงานใช้เวลาทั้งวันขุดหารหัสพันธุกรรมของ C. neoformansค้นหายีนที่สำคัญที่ช่วยให้ยีสต์บุกเซลล์มนุษย์ แต่ทีมรู้สึกประหลาดใจเมื่อมีรายงานออกมาแสดงให้เห็นว่าสารพันธุกรรมนั้นตกแต่งด้วยกลุ่มเมธิล
"เมื่อเราเรียนรู้ มี DNA methylation …ฉันคิดว่าเราต้องดูที่นี้โดยไม่ทราบว่ามีอะไรที่เราต้องการ” Madhani กล่าว ในสัตว์มีกระดูกสันหลังและพืชเซลล์เพิ่มกลุ่มเมทิลไปยัง DNA ด้วยความช่วยเหลือของเอนไซม์สองตัว ครั้งแรกที่เรียกว่า "เดอโนโว methyltransferase" เกาะกลุ่มเมธิลลงบนยีนที่ไม่มีการตกแต่ง เอ็นไซม์นั้นพริกแต่ละครึ่งของเกลียวดีเอ็นเอรูปเกลียวที่มีรูปแบบเดียวกันของกลุ่มเมทิลทำให้เกิดการออกแบบสมมาตร ในระหว่างการแบ่งเซลล์เกลียวคู่จะคลี่ออกและสร้างดีเอ็นเอใหม่สองเส้นจากครึ่งที่ตรงกัน เมื่อมาถึงจุดนี้เอนไซม์ที่เรียกว่า "การบำรุงรักษา methyltransferase" จะร่อนลงเพื่อคัดลอกกลุ่มเมธิลทั้งหมดจากสายเดิมลงบนครึ่งที่สร้างขึ้นใหม่ Madhani และเพื่อนร่วมงานของเขาดูต้นไม้วิวัฒนาการที่มีอยู่เพื่อติดตามประวัติของ C. neoformans เมื่อเวลาผ่านไปและพบว่าในช่วงยุคครีเทเชียสบรรพบุรุษของยีสต์มีเอนไซม์ทั้งสองที่จำเป็นสำหรับ DNA methylation แต่บางแห่งตามแนว C. neoformans สูญเสียยีนที่จำเป็นในการทำ de novo methyltransferase หากปราศจากเอนไซม์สิ่งมีชีวิตจะไม่สามารถเพิ่มกลุ่มเมธิลใหม่ลงใน DNA ได้อีกต่อไป - มันสามารถคัดลอกกลุ่มเมธิลที่มีอยู่เดิมได้โดยใช้เอนไซม์บำรุงรักษาเท่านั้น ในทางทฤษฎีแล้วแม้แต่การทำงานคนเดียวเอนไซม์บำรุงรักษาก็สามารถเก็บ DNA ไว้ในกลุ่มเมธิลได้อย่างไม่มีกำหนดถ้ามันสามารถผลิตสำเนาที่สมบูรณ์แบบได้ทุกครั้ง ในความเป็นจริงเอนไซม์ทำผิดพลาดและสูญเสียการติดตามของกลุ่มเมธิลในแต่ละครั้งที่แบ่งเซลล์ทีมวิจัยพบ เมื่อเลี้ยงในจาน Petri C. neoformans เซลล์ได้รับกลุ่มเมทิลใหม่เป็นครั้งคราวโดยบังเอิญแบบเดียวกับการกลายพันธุ์แบบสุ่มใน DNA อย่างไรก็ตามเซลล์สูญเสียกลุ่มเมธิลเร็วกว่าพวกมันประมาณ 20 เท่าที่จะได้รับสิ่งใหม่ ภายในเวลาประมาณ 7,500 ชั่วอายุคนกลุ่มเมธิลสุดท้ายทุกกลุ่มจะหายไปโดยไม่ต้องคัดลอกเอนไซม์บำรุงรักษาเลย กำหนดความเร็วที่ C. neoformans ทวีคูณยีสต์น่าจะสูญเสียเมธิลทุกกลุ่มภายในเวลาประมาณ 130 ปี แต่มันก็ยังคงการแก้ไขแบบ epigenetic มาเป็นเวลาหลายสิบล้านปี "เนื่องจากอัตราการสูญเสียสูงกว่าอัตราการได้รับระบบจะค่อยๆสูญเสียเมธิเลชั่นเมื่อเวลาผ่านไปหากไม่มีกลไกที่จะเก็บไว้ที่นั่น" Madhani กล่าว กลไกดังกล่าวเป็นการคัดเลือกโดยธรรมชาติเขากล่าว ในคำอื่น ๆ แม้ว่า C. neoformans กำลังได้รับกลุ่มเมทิลใหม่ช้ากว่าการสูญเสียพวกมันเมทิลเลชันได้เพิ่ม“ ความแข็งแรง” ของสิ่งมีชีวิตอย่างมากซึ่งหมายความว่ามันสามารถเอาชนะบุคคลที่มีเมทิลเลชันน้อยลงได้ บุคคล "พอดี" มีชัยเหนือกลุ่มที่มีกลุ่มเมธิลน้อยกว่าและระดับเมทิลเลชันยังคงสูงกว่าล้านปี แต่ความได้เปรียบเชิงวิวัฒนาการที่กลุ่มเมธิลเหล่านี้สามารถเสนอได้คืออะไร C. neoformans? พวกเขาอาจปกป้องจีโนมของยีสต์จากความเสียหายร้ายแรงที่อาจเกิดขึ้น Madhani กล่าว Transposons ยังเป็นที่รู้จักกันในนาม "ยีนกระโดด" กระโดดไปรอบ ๆ จีโนมด้วยความตั้งใจและมักจะใส่ตัวเองในสถานที่ที่ไม่สะดวก ตัวอย่างเช่น transposon สามารถกระโดดเข้าไปในศูนย์กลางของยีนที่จำเป็นสำหรับการอยู่รอดของเซลล์ เซลล์นั้นอาจทำงานผิดปกติหรือตาย โชคดีที่กลุ่มเมธิลสามารถคว้า transposons และล็อคพวกเขาในสถานที่ อาจเป็นได้ว่า C. neoformans Madhani กล่าวว่ายังคงรักษา DNA methylation ในระดับหนึ่งเพื่อรักษา transposons ไว้ในเช็ค “ ไม่มีเว็บไซต์ใดที่มีความสำคัญเป็นพิเศษ แต่ความหนาแน่นโดยรวมของเมทิลเลชั่นในทรานสปอนนั้นถูกเลือกสำหรับ” มากกว่าช่วงเวลาวิวัฒนาการเขากล่าวเสริม "สิ่งเดียวกันอาจเป็นจริงในจีโนมของเรา" ความลึกลับมากมายยังคงล้อมรอบ DNA methylation C. neoformans. นอกเหนือจากการคัดลอกกลุ่มเมธิลระหว่างสายดีเอ็นเอแล้วการบำรุงรักษาเมทิลทรานเฟอร์เฟเรสก็มีความสำคัญเมื่อพูดถึงการที่ยีสต์ก่อให้เกิดการติดเชื้อในมนุษย์ตามรายงานของ Madhani ปี 2551 หากปราศจากเอนไซม์ที่ไม่เป็นอันตรายสิ่งมีชีวิตไม่สามารถแฮ็คเข้าสู่เซลล์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ “ เราไม่รู้ว่าทำไมต้องมีการติดเชื้ออย่างมีประสิทธิภาพ” Madhani กล่าว เอนไซม์ยังต้องการพลังงานเคมีจำนวนมากในการทำงานและคัดลอกเฉพาะกลุ่มเมธิลลงบนครึ่งที่ว่างเปล่าของดีเอ็นเอที่ถูกจำลอง ในการเปรียบเทียบเอนไซม์ที่เทียบเท่าในสิ่งมีชีวิตอื่นไม่ต้องการพลังงานพิเศษในการทำงานและบางครั้งก็มีปฏิสัมพันธ์กับ DNA เปล่าปราศจากกลุ่มเมธิลใด ๆ ตามรายงานที่โพสต์ลงบนเซิร์ฟเวอร์เซิร์ฟเวอร์ BioRxiv การวิจัยเพิ่มเติมจะเปิดเผยว่า methylation ทำงานอย่างไร C. neoformansและวิวัฒนาการรูปแบบใหม่ที่ค้นพบนี้ปรากฏในสิ่งมีชีวิตอื่นหรือไม่
